اسمز معکوس (Reverse Osmosis)، یا به طور اختصار RO، یک تکنولوژی است که تقریبا در هر صنعتی که احتیاج به تفکیک مواد حل شده از حلال باشد (معمولا حلال آب است) عمومیت پیدا کرده است. متداولترین مورد استفاده RO در تهیه آب خاص است. در صنعت، جهت تهیه آب DM و تصفیه فاضلاب بهداشتی استفاده زیادی از RO می شود. فرآیند RO در تهیه آب آشامیدنی از طریق نمک زدایی آب دریا و حتی بهبود مزه ی آب از طریق حذف آلودگی های مضر، مورد استفاده قرار می گیرد.
مواد محلول، شامل انواع نمک ها، مواد آلی مانند شکر یا روغن های محلول در آب می شوند. ماده حل شده (که دراری غلظت کمتر) به دلیل نیروی جاذبه مولکولی که توسط حلال (که دارای غلظت بیشتری است) اعمال می شود، به صورت محلول باقی می ماند. در منابع آب شهر، بالاترین غلظت مواد حل شده مربوط به انواع نمک ها است.
اسمز معکوس، یکی از روش های اساسی تصفیه آب است که در ساخت نیمه هادی ها، تجهیزات پزشکی و صنایع دارویی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین آب خالص تهیه شده با استفاده از این روش در عمل دیالیز و نیروگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد. این تکنولوژی نیز در تصفیه فاضلاب و حتی تغلیظ محلول های نمکی در صنایع غذایی کاربرد دارد.
استفاده از RO در مصارف خانگی (حتی در آشپزخانه و سرویس های بهداشتی) عمومیت پیدا کرده است و به همین دلیل به یک عبارت خانگی تبدیل شده است. در این کاربرد و بسیاری از کاربردهای دیگر، در سیستم RO از فیلترهایی که دارای منافذ بی نهایت ریز هستند استفاده می شود. باید باور کرد که قطر این منافذ از µm 0.001 کوچکتر است (قطر موی سر انسان بیش از 30 است). این فیلترها RO را قادر به تفکیک جامدات معلق، ذرات بسیار ریز و ذرات Endotoxin (ذرات بسیار ریز که با صنایع داروسازی مرتبط هستند) می سازد.
موفقیت تکنولوژی سیستم اسمز معکوس، مرهون دلایل اقتصادی و سادگی بهره برداری از آن است. هزینه خرید این سیستم در مقایسه با سایر تکنولوژی های تصفیه آب، نسبتا گران است. اسمز معکوس، نه مانند سیستم تقطیر احتیاج به تغییر فاز شدید انرژی دارد و نه ماند بسترهای تعویض یونی احتیاج به حجم زیاد اسید و سود (جهت احیای بسترهای تعویض یونی) دارد.
در فرآیند RO، از یک پمپ و یک غشای نیمه تراوا استفاده می شود. پمپ، نیروی رانش را مهیا می کند. غشای نیمه تراوا بین آب و ماده حل شده، تمایل دارد که آب را از خود عبور دهد، بنابراین، اکثر ماده حل شده در پشت غشا باقی می ماند و این کار موجب تغلیظ جریان در پشت غشا می شود.
همچنین غشای RO قادر به حذف ذرات معلقی است که به هیچ نحو قابل عبور از غشا نیستند. مگر اینکه آسیب مکانیکی به غشا وارد شود. (غشا پاره شود)
اسمز معکوس نیز یک فرآیند جداسازی است. در این فرآیند، جریان آب خوراک به دو جریان آب محصول و جریان آب تغلیظ شده تقسیم می شود. این روش با عمل فیلتر کردن آب که در آن، کل آب خوراک از فیلتر عبور کرده و ذرات معلق در پشت فیلتر باقی می مانند، مقایسه می شود.
اسمز معکوس فرآیندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا استفاده میشود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب بطور طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت بالاتر به غلظت پائین‌تر جریان مییابد. این پدیده تا زمانی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول (Solution) غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتی که فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی (Osmotic pressure) باشد جهت جریان طبیعی آب معکوس خواهد گردید.
غشاهای جدید در یک فشار خاص، نمک بیشتری را دفع و آب بیشتری را از خود عبور می دهند و نهایتا بازدهی انرژی، افزایش می یابد. همچنین آنها بادوامند و قادر به دریافت آب خوراک و محلول های شیمیایی قوی هستند.
نتیجه این پیشرفت ها، موجب رشد مستمر تکنولوژی RO در کاربردهای جدید شده است. برای پیشرفت صنایع RO و پذیرش آن، نیاز به افرادی است که از ابعاد مختلف با جزئیات اسمز معکوس، آشنایی داشته باشند.
این فرآیند در واقع عکس فرآیند اسمز طبیعی است که عبارتست از حرکت طبیعی حلال (Solvent) از یک منطقه دارای غلظت پایین از طریق غشاء و ورود به منطقه دارای غلظت بالا بدون استفاده از فشار زیاد. غشاء در اینجا نیمه تراواست بدین معنا که اجازه عبور حلال را میدهد اما نه از ماده حل شده.
این روش قادر به حذف مواد آلی غیر محلول، مواد آلی محلول، ویروس، باکتری و ذرات می باشد و به عنوان پیشرفته ترین و کم هزینه ترین روش شناخته شده است. آب خام ورودی به غشا RO بایستی عاری از ذرات معلق، میکروارگانیسم و کلر آزاد باشد که به همین دلیل در تمامی دستگاههای RO. سیستم پیش تصفیه تعبیه می گردد. معمولاً تجهیزات مورد استفاده جهت پیش تصفیه آب سیستمهای RO معمولاً شامل موارد زیر می باشند: فیلتر شنی و کربن اکتیو، سختی گیری، ضد عفونی با اشعهUV، تزریق کلر و مواد شیمیایی نظیر سدیم متا بی سولفیت، آنتی اسکالانت، اسید و در مرحله آخر میکروفیلتر یا قیلترهای کارتریج در ورودی آب به ممبرانهای RO.
اجزا اصلی دستگاه اسمز معکوس
– پیش تصفیه (Pre treatment) که بسته به کیفیت آب ورودی قابل طراحی است.
– ممبران (Membrane) که نوع آن بر حسب کیفیت ورودی و در خواستی آب انتخاب می شود.
– پوسته های تحت فشار (Pressure Vessel) که دارای تحمل فشار مطابق با نیاز و سایز ممبران ها می باشد.
– میکرو فیلتر (Micro filter) که جهت حذف ذرات معلق احتمالی باقی مانده تعبیه شده است.
– ماده ضد رسوب (Anti scalant) که موجب محافظت بیشتر از ممبران می شود.
– پمپ فشار قوی (High Pressure Pump) که به منظور غلبه بر فشار اسمزی تعبیه میگردد.
– ابزار دقیق (Instrumentation) شامل جریان سنج، فشار سنج، دما سنج، pHسنج، هدایت سنج و
دستگاه تصفیه آب RO یا همان دستگاه آب شیرین کن می تواند به صورت پيوسته کار کند و توانایی کاهش TDS آب خام را تا 95% را دارد. حذف باکتريها، ويروسها و ديگر میکرواورگانیسم ها با استفاده از فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis) تقریبا صددرصد می باشد. همچنين اسمز معکوس ميتواند 99% مواد معدني و 97% مواد آلی و کلوئيدی آب را حذف نمايد.
اسمز معکوس و اسمز طبیعی
پدیده اسمز یک فرآیند طبیعی است. در این فرآیند آب بدون نیاز به انرژی جریان پیدا میکند. اما برای ایجاد جریان در جهت معکوس نیاز به وارد آوردن فشار به آب های شور میباشد. علاوه بر این غشای اسمز معکوس یک غشای نیمه تراوا است. به همین علت به مولکول‌های آب اجازه عبور میدهد، اما از عبور موادی نظیر نمکهای محلول، مواد آلی، باکتری‌ها و … جلوگیری میکند. برای عبور آب از این غشا نیاز به ایجاد فشاری بیشتر از فشار اسمزی ایجاد شده ناشی از تفاوت غلظت محلول‌ها در سمت محلول غلیظ تر است. اگر این میزان فشار ایجاد شود، آب از غشا عبور میکند. در عین حال نمک‌ها و یون‌های محلول در آن از غشا عبور نمی‌کنند. بدین ترتیب عملیات تصفیه آب و حذف نمک‌ها انجام شده و بسیاری از آلودگی‌ها و ناخالصی های آب حذف خواهند شد.
پیش تصفیه دستگاه اسمز معکوس (RO) (آب شیرین کن صنعتی)
تصفیه مقدماتی آب ورودی به دستگاه RO به منظور استفاده بهینه از ممبران ها و افزایش زمان کارکرد ممبران انجام می گیرد و در طی این عملیات آب آماده عبور از ممبران می شود. عملیات تصفیه مقدماتی آب ورودی شامل مراحل زیر است.
- جداسازی ذرات معلق جامد: مواد معلق و کلوئیدی موجود در آب موجب گرفتگی ممبران می شود. میزان رسوب گذاری آب وردی با اندیس SDI تعیین می گردد و لازم است که مقدار آن کمتر از حد مجاز باشد. به منظور کاهش کدورت و ذرات معلق آب از فیلتر شنی و فیلتر میکرونی با منافذ 5 میکرون استفاده می شود.
- حذف میکرواورگانیسم ها: وجود میکرواورگانیسمها همانند باکتری ها می تواند موجب گرفتگی میکروبی ممبران شود. و حتی در برخی موارد آنزیم های ترشح شده از میکرواورگانیسم ها بر روی ممبران اثر تخریبی دارد. به همین دلیل لازم آب قبل از ورود به دستگاه RO ضد عفونی گردد. برای ضد عفونی آب می توان از انواع روشهای ضد عفونی آب استفاده کرد. در صورت استفاده از کلرین برای ضد عفونی به دلیل اثر تخریبی کلر بر روی ممبران ها باید کلر قبل از ورود به ممبران حذف شود که این کار توسط تزریق متابی سولفیت انجام می شود.
- حذف بار آلی: به منظور کاهش بار آلی و یا جداسازی کلر باقیمانده در آب ورودی از بسترهای کربن فعال استفاده می شود.
- کنترل عوامل رسوب کننده: مواد اکسید شونده هماننده اکسید ها و هیدرواکسیدهای آهن، منگنز و سیلیس می تواند در طی فرآیند نمک زدایی مشکلاتی را بوجود آورند و در نتیجه کارایی ممبران کاهش یابد. ترکیب هگزا متافسفات را می توان برای کنترل عوامل رسوب کننده استفاده کرد.
- تنظیم pH: تنظیم نمودن pH آب به منظور افزایش عمر غشا و جلوگیری از رسوب کردن برخی املاح امری ضروری است. عمر مفید ممبران ها در pH نامناسب به دلیل هیدرولیز شدن کاهش می یابد.
فرآیند تصفیه در اسمز معکوس صنعتی
سیستم تصفیه اسمز معکوس صنعتی شامل پیش فیلتر چندرسانه ای، سختی گیر آب یا سیستم دوزینگ ضد انعقاد، سیستم دوزینگ کلرزدایی، واحد اسمز معکوس با غشاهای نیمه تراوا، و استریلایزر UV یا کلر زنی پس از تصفیه است. این دستگاه ها فن آوری اسمز معکوس با فیلترهای چند رسانه ای، برای انتقال آب ورودی و حذف ذرات بزرگتر از 10 میکرون را اعمال می کنند. سپس آب توسط یک ماده شیمیایی ضد انعقاد تزریق می شود تا سختی آب را کنترل کند و باعث آسیب رساندن به غشاهای داخل دستگاه نشود. این گزینه های پیش تصفیه توانایی حذف سختی، کلر، بو، رنگ، آهن و گوگرد را دارند.
سپس آب به واحد اسمز معکوس انتقال مییابد که در آن یک پمپ فشار بالا فشار بسیار زیادی را به محلول بسیار متمرکز وارد میکند. به این ترتیب نمکهای باقیمانده ، مواد معدنی و ناخالصیهایی که پیش فیلتر نمیتواند آنها را بگیرد در این مرحله جدا میشوند. آب تازه قابل آشامیدن از انتهای کم فشار غشا خارج می شود در حالیکه نمک ها، مواد معدنی و سایر ناخالصی ها از انتهای دیگر تخلیه می شوند. در نهایت، آب از طریق یک استریلایزر UV (یا پس از کلرینگ) عبور داده می شود تا باعث از بین رفتن هر نوع باکتری و میکروبی باقی مانده در آب میشود.
کاربرد سیستم تصفیه آب اسمز معکوس صنعتی
کاربردهای دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس بسیار متنوع بوده و صنایع گوناگون را شامل میشود.
- تصفیه و بازیافت فاضلاب تولید شده از صنایع تولیدی فلزکاری و آبکاری ؛
- صنعت چاپ و ساخت مواد نیمه رسانا ؛
- صنایع تولید خودرو (تصفیه و بازیافت آب مورد استفاده برای تمیز کردن و نقاشی)؛
- تولیدات مواد غذایی و نوشیدنی (فاضلاب غلیظ شده برای استفاده مجدد و کاهش BOD قبل از تخلیه)؛
- آب های زیرزمینی و محل دفن زباله ها (حذف نمک ها و فلزات سنگین قبل از تخلیه)
- بویلرها و پیش تصفیه در برج خنک کننده
- پیش تصفیه در سیستم های تصفیه آب با خلوص بالا
- تولیدات ارگانیک داروسازی
مزایای استفاده از سیستمهای تصفیه آب اسمز معکوس در صنعت
- آب به عنوان یک ماده خام در تولید محصولات مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین برای رفع برخی نیازها ممکن است نیاز به مشخصات خاصی از آب وجود داشته باشد که تنها با استفاده از آب خام RO قابل دستیابی است.
- آب همچنین برای خنک کردن برخی ماشین آلات استفاده می شود که برای مدت زمان زیادی کار می کنند و می تواند باعث مشکلاتی از قبیل افزایش حرارت، سایش بیش از حد و… شود. کیفیت خوب آب می تواند اطمینان حاصل کند که ماشین آلات به خوبی خنک میشوند.
- به عنوان یک حلال تمیز کننده، آب در صنایع مختلف برای تمیز کردن دستگاهها و ظروف خاص یا تمیز کردن ماشین آلات حساس به آب سخت استفاده می شود. از این رو، از طریق آب تهیه شده با فرآیند اسمز معکوس، میتوان برای رسیدن به یک نوع خاص آب که برای تمیز کردن مناسب است، دست پیدا کرد.
نیاز به تامین آب شیرین و آشامیدنی در بسیاری از مناطق دنیا به یکی از موارد اساسی جوامع تبدیل شده است. در سالهای اخیر و با توجه به بحران کمبود آب و خشکسالی در بسیاری از نقاط جهان از سیستمهای تصفیه اسمز معکوس برای شیرین کردن آب دریاها و اقیانوسها استفاده میشود. از این رو به این سیستمهای تصفیه آب عنوان دستگاه آب شیرین کن دریایی یا دستگاه تصفیه آب شور نیز اطلاق میگردد.
طراحی دستگاه تصفیه آب صنعتی
یک سیستم آب شیرین کن صنعتی که به درستی و به شکل بهینه طراحی شود باید بتواند حداقل بین ۹۵٪ تا ۹۹٪ ناخالصی‌های موجود در آب ورودی را از آن حذف کند. برای طراحی سیستم تصفیه اسمز معکوس نیاز است تا پارامترهای مشخصی در نظر گرفته شود.
- فشار جریان آب ورودی به دستگاه
- فشار جریان خروجی از سیستم
- دبی جریان آب ورودی
- دبی آب تصفیه شده توسط دستگاه اسمز معکوس
- فشار جریان پساب خروجی
- هدایت الکتریکی (EC ) آب ورودی
- هدایت الکتریکی آب خروجی از دستگاه RO
- دمای محیط و دمای آب ورودی به سیستم
نصب و راه اندازی سیستم تصفیه آب اسمز معکوس
نصب و راه اندازی استاندارد دستگاه های آب شیرین کن صنعتی، یکی از آیتمهای بسیار اساسی در بهره برداری و استفاده از دستگاه تصفیه اسمز معکوس می باشد. داشتن تجربه و تخصص کافی شرکت تولید کننده و داشتن دانش فنی کارشناسان با افزایش بهره وری سیستم ، رابطه ای مستقیم دارد.
دستورالعمل بهره برداری و آموزش مناسب به اپراتور در محل استفاده باید با دقت و به درستی صورت بگیرد. به علاوه ، داشتن چک لیست نگهداری دستگاه توسط خریدار و ارائه آن به صورت مداوم و منظم به شرکت تولید کننده بسیار مورد اهمیت است. این امر برای بررسی و سرویس دوره ای سیستم انجام میشود و از نکات مهم در بهره برداری و افزایش دوام و عمر مفید سیستم محسوب میشود.
پارامترهای اصلی در تصفیه آب صنعتی
شاخص هایی که با آنها می توان املاح محلول در آب را اندازه گیری کرد شامل هدایت الکتریکی آب (EC) ،
pH ، قلیائیت ماده (P)، قلیائیت کل (M)، سختی کل (TH) و کل املاح محلول جامد TDS می باشد.
در آب های طبیعی هر چه مقدار یون ها بیشتر باشد، EC آن بیشتر است و بالعکس.
pH آب خالص در دمای 25 درجه سانتیگراد برابر 7 است و با افزایش دما افزایش می یابد. pH آب های طبیعی عموماً در محدوده 8-6 است. کنترل pH در بسیاری از فرایندهای تصفیه ضرورت دارد. pH آب را با دستگاه pH متر اندازه گیری می کنند. pH آب را با استفاده از کاغذهای pH و یا شتاب گرها می توان اندازه گیری کرد که دقت آن کمتر است.
TDS نشان دهنده کل غلظت املاح محلول در آب است که بر حسب میلی گرم در لیتر گزارش می شود. TDS شاخص خوبی برای تعیین کیفیت کلی آب است.
سختی آب (H) میزان املاح محلول کلسیم و منیزیم در آب است. سختی آب یا موقت (ناشی از بی کربنات های کلسیم و منیزیم) است یا دائم ( ناشی از سولفات، کلرید و نیترات و … کلسیم و منیزیم ). واحد بین المللی بیان سختی آب ppm معادل کربنات کلسیم یا میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم است.
قلیائیت آب برابر مجموع یون های کربنات، بی کربنات و هیدروکسید آب است. هر چه قلیائیت آب بیشتر باشد ظرفیت بافری آب بیشتر است. قلیائیت آب یا ساده (P) (به علت وجود OH– یا CO₃–) و یا کل (M) (مربوط به OH– ، Co3و HCO3–)
